KR102558765B1 - 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치 - Google Patents

트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 그래핀 필름의 제조과정에서 두 개의 챔버를 형성하고, 일측 챔버에서는 촉매금속필름을 클리닝하고 타측 챔버에서는 촉매금속필름에 그래핀을 증착할 수 있는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 관한 것으로,
촉매금속필름을 하부챔버로 공급하기 위한 공급롤러부 및 하부챔버에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름을 권취하기 위한 권취롤러부가 구비되는 상부챔버와, 상기 상부챔버의 하부에 연결되어 상기 촉매금속필름의 클리닝 및 그래핀의 증착이 이루어지는 하부챔버로 이루어져, 롤-투-롤(roll to roll) 방식으로 촉매금속필름에 그래핀을 증착하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 있어서, 상기 하부챔버는, 상기 공급롤러에서 하부로 이송되는 촉매금속필름의 표면에 잔존하는 불순물을 제거하기 위한 제1히터가 구비되는 클리닝챔버와, 상기 클리닝챔버에서 클리닝되어 이송된 상기 촉매금속필름의 표면에 그래핀을 증착하기 위한 제2히터가 구비되는 증착챔버로, 이루어지는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치를 제공한다.

Description

트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치{The roll-to-roll graphine film manufacturing apparatus provided with twin chamber}
본 발명은 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 그래핀 필름의 제조과정에서 두 개의 챔버를 형성하고, 일측 챔버에서는 촉매금속필름을 클리닝하고 타측 챔버에서는 촉매금속필름에 그래핀을 증착할 수 있는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 그래핀(Graphene)은 탄소가 육각형의 형태로 서로 연결되어 벌집 모양의 2차원 평면 구조를 이루는 물질이며, 그 두께가 매우 얇고 투명하며, 전기전도성이 매우 큰 특징이 있다. 이러한 특징을 이용하여 그래핀을 투명 디스플레이 또는 플렉시블(flexible) 디스플레이에 투명전극으로 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.
종래 그래핀 필름의 제조방법은 공개특허 10-2012-0111659호(그래핀을 포함하는 필름 제조 방법, 2012년 10월 10일 공개)에 기재되어 있다.
위의 공개특허에서는 대량생산을 위하여 롤-투-롤(Roll to Roll) 방식으로 일방향으로 촉매금속필름을 이송하면서, 그래핀을 형성하고, 그래핀이 형성되지 않은 촉매금속필름의 일면에 전사필름을 형성하는 단계에 대하여 기재되어 있으며, 각 단계별로 필요한 기구적인 구성에 대하여 설명이 되어 있다.
구체적으로 촉매금속필름을 권취하고 이송하기 위한 권취롤러 및 이송롤러와, 그 촉매금속필름에 탄소를 함유한 공정 가스를 공급하여 그래핀을 증착하는 그래핀 형성 공간 등이 기재되어 있다.
종래의 특허들의 문제점은 촉매금속필름의 제조과정에서 촉매금속필름의 표면에 필연적으로 잔류하게 되는 잔류물의 존재로 인하여 증착과정에서 그래핀의 품질저하의 요인이 되는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2017-0025081호(2017.03.08. 공개) 공개특허공보 제10-2017-0029911호(2017.03.16. 공개) 공개특허공보 제10-2018-0010085호(2018.01.30. 공개) 공개특허공보 제10-2020-0020248호(2020.02.26. 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 롤-투-롤 방식으로 그래핀 필름을 제조하는 제조장치에서, 촉매금속필름의 표면을 클리닝할 수 있는 클리닝챔버와 그래핀을 증착하는 증착챔버로 구성하여, 그래핀의 품질향상 및 증착효율을 증가시킬 수 있는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 권취롤러와 공급롤로 사이에서 이송되는 촉매금속필름의 장력이 일정하게 유지될 수 있도록 장력을 조절할 수 있도록 함으로써, 촉매금속필름의 손상을 방지하고 효율적인 증착이 가능하도록 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상부챔버와 하부챔버 간의 실링을 담당함과 아울러 촉매금속필름의 이동을 가이드할 수 있는 실링 및 가이드 롤러를 구비함으로써, 촉매금속필름이 이동과정에서 발생하는 비틀림 등으로 인한 촉매금속필름의 손상을 방지할 수 있는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해, 촉매금속필름을 하부챔버로 공급하기 위한 공급롤러부 및 하부챔버에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름을 권취하기 위한 권취롤러부가 구비되는 상부챔버와, 상기 상부챔버의 하부에 연결되어 상기 촉매금속필름의 클리닝 및 그래핀의 증착이 이루어지는 하부챔버로 이루어져, 롤-투-롤(roll to roll) 방식으로 촉매금속필름에 그래핀을 증착하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 있어서, 상기 하부챔버는, 상기 공급롤러에서 하부로 이송되는 촉매금속필름의 표면에 잔존하는 불순물을 제거하기 위한 제1히터가 구비되는 클리닝챔버와, 상기 클리닝챔버에서 클리닝되어 이송된 상기 촉매금속필름의 표면에 그래핀을 증착하기 위한 제2히터가 구비되는 증착챔버로, 이루어지는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치를 제공한다.
본 발명에서 공급롤러부는, 상부챔버 내측에 장착되어 촉매금속필름을 공급하는 공급롤러; 상기 공급롤러부의 일측에 장착되어 상기 공급롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 하부로 방향을 전환하는 제1 방향전환롤러; 상기 제1 방향전환롤러의 하부에 장착되어 상기 제1 방향전환롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 하부로 일정한 속도로 공급하기 위한 구동 마찰롤러와, 상기 구동 마찰롤러와 맞물려 회전하는 종동 마찰롤러로 이루어지는 마찰롤러부; 및 상기 마찰롤러에서 일정한 속도로 공급되는 상기 촉매금속필름을 가이드함과 아울러 상기 상부챔버와 상기 클리닝챔버 간의 실링을 위한 한 쌍의 제1 실링 및 가이드롤러;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 권취롤러부는, 증착챔버에서 상부챔버로 이송되는 촉매금속필름을 가이드함과 아울러 상기 증착챔버와 상기 상부챔버간의 실링을 위한 한 쌍의 제2 실링 및 가이드롤러; 상기 제2 실링 및 가이드롤러에서 공급되는 촉매금속필름의 방향을 전환하여 상기 권취롤러로 공급하는 제2 방향전환롤러; 및 상기 제2 방향전환롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 권취하는 권취롤러;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 하부챔버는, 하부챔버를 구획하여 클리닝챔버와 증착챔버를 형성하는 중간 격벽과, 상기 중간 격벽의 상단에 마련되어 상기 클리닝챔버와 상기 증착챔버를 구획하면서 상기 촉매금속필름을 상기 증착챔버로 이송시키기 위한 구동력이 제공되는 제3 방향전환롤러가, 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 클리닝챔버에는, 클리닝챔버의 내부에 장착되는 제1히터와, 상기 제1히터의 하부에 장착되어 상기 촉매금속필름의 방향을 전환함과 아울러 상기 촉매금속필름에 일정한 텐션을 주는 제1 텐션롤러가 구비되고, 상기 제1 실링 및 가이드롤러로부터 공급되는 상기 촉매금속필름은 상기 제1 텐션롤러를 거쳐서 상기 제3 방향전환롤러로 공급되면서, 상기 제1히터의 양면과 근접이동됨으로써 두번 히팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 증착챔버에는, 증착챔버의 내부에 장착되는 제2히터와, 상기 제2히터의 하부에 장착되어 상기 촉매금속필름의 방향을 전환함과 아울러 상기 촉매금속필름에 일정한 텐션을 주는 제2 텐션롤러가 구비되고, 상기 제3 방향전환롤러로부터 공급되는 상기 촉매금속필름은 상기 제2 텐션롤러를 거쳐서 상기 제2 실링 및 가이드롤러로 공급되면서 상부방향에서 하부방향으로 상기 제2히터의 양면과 근접이동됨으로써, 상부방향 및 하부방향으로 이동되는 과정에서 그래핀이 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 클리닝챔버의 내부압력(P1)이 증착챔버의 내부압력(P2)보다 더 높게 유지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 클리닝챔버의 내부로는 전처리 가스가 유입되고, 증착챔버의 내부로는 공정가스가 유입되되, 상기 챔버간의 압력차이로 인해 상기 공정가스는 상기 클리닝챔버의 내부로 유입되지 않고, 상기 전처리 가스는 상기 증착챔버 내부로 유입될 수 었는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제1 텐션롤러에는, 상기 제1 텐션롤러를 통과하는 상기 촉매금속필름의 장력을 측정하기 위한 제1 텐션 감지센서가 더 장착되고, 상기 제1 텐션 감지센서의 감지신호에 따라 상기 제3 방향전환롤러의 속도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제2 텐션롤러에는, 상기 제2 텐션롤러를 통과하는 상기 촉매금속필름의 장력을 측정하기 위한 제2 텐션 감지센서가 더 장착되고, 상기 제2 텐션 감지센서의 감지신호에 따라 상기 권취롤러의 속도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 클리닝 챔버가 구비되어 촉매금속필름의 제조과정에서 표면에 잔존하는 잔류물을 탄화시켜 줌으로써, 증착챔버에서의 그래핀의 표면증착을 유리하게 하여 그래핀의 품질향상 및 그에 따른 증착효율을 높일 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 본 발명은 촉매금속필름에 일정한 장력이 유지될 수 있도록 함으로써, 그래핀이 증착된 촉매금속필름의 손상을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 클리닝 챔버와 증착챔버간의 압력을 달리함으로써, 클리닝 챔버에서 탄화된 잔류물의 탄화물은 증착챔버로 유입될 수 있으나, 증착챔버의 공정가스는 클리닝챔버로 배출될 수 없기 때문에, 증착챔버에서 이루어지는 그래핀의 품질향상 및 증착수율이 증가하는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치 제l실시예의 전체 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치의 제2실시예의 전체 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 그래핀 필름 제조장치의 컨트롤러에 의한 제1 텐션롤러와 제3 방향전환롤러의 장력 조절과정에 대한 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 그래핀 필름 제조장치의 컨트롤러에 의한 제2 텐션롤러와 권취롤러의 장력 조절과정에 대한 순서도.
이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치 제l실시예의 전체 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치의 제2실시예의 전체 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 그래핀 필름 제조장치의 컨트롤러에 의한 제1 텐션롤러와 제3 방향전환롤러의 조절과정에 대한 순서도이고, 도 4는 본 발명에 따른 그래핀 필름 제조장치의 컨트롤러에 의한 제2 텐션롤러와 권취롤러의 조절과정에 대한 순서도이다.
도 1은 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치의 제1실시예(1)에 대한 전체 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 그래핀 필름 제조장치(1)는 상부챔버(10)와, 하부챔버(20)로 이루어진다.
상부챔버(10)는, 상부챔버바디(11)와, 촉매금속필름(100)을 하부챔버(20)로 공급하기 위한 공급롤러부(14) 및 하부챔버(20)에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')을 권취하기 위한 권취롤러부(15)가 구비된다. 본 발명에서 촉매금속필름(100)은 롤형태를 이루는 필름(film), 포일(foil) 또는 시트(sheet)의 개념을 모두 포함한다.
상부챔버바디(11)에는 상부챔버바디(11)의 하부에 마련되는 촉매금속필름 배출홀(12)과 촉매금속필름 유입홀(13)이 구비된다.
공급롤러부(14)는, 촉매금속필름이 감겨있는 공급롤러(141)와, 공급롤러(141)에서 공급되는 촉매금속필름(100)의 방향을 하부로 전환하는 제1 방향전환롤러(142)와, 제1 방향전환롤러(142)의 하부에 장착되어 제1 방향전환롤러(142)에서 공급되는 촉매금속필름(100)을 하부로 일정한 속도로 공급하기 위한 마찰롤러부(143)으로 이루어진다. 마찰롤러부(143)는 자체 구동력이 구비된 구동 마찰롤러(143a)와, 구동 마찰롤러(143a)와 맞물려 회전하는 종동 마찰롤러(143b)로 이루어진다. 구동 마찰롤러(143a)는 내부 또는 롤러와 모터 등이 연결되어 구동되며, 구동 마찰롤러(143a)의 표면에는 마찰력이 촉매금속필름(100)에 작용할 수 있도록 일정한 표면 마찰력을 가진 재질이 사용될 수 있다. 구동 마찰롤러(143a)의 구동력으로 촉매금속필름(100)이 하부로 이송되고, 구동 마찰롤러(143a)와 촉매금속필름(100)이 접착될 수 있도록 종동 마찰롤러(143b)가 측면에 구비되어, 촉매금속필름(100)의 하부 이송을 보조한다.
권취롤러부(15)는, 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')이 권취되는 자체 구동력이 구비된 권취롤러(151)와 권취롤러(151)로 방향을 전환시켜주면서 이송되는 장력을 유지할 수 있도록 하는 제2 방향전환롤러(152)로 이루어진다.
하부챔버(20)는, 하부챔버바디(21)와, 트윈챔버 형태로 클리닝챔버(22) 및 증착챔버(23)로 이루어진다. 하부챔버(20)에 두 개의 챔버를 형성하기 위해, 클리닝챔버(22)와 증착챔버(23)를 구획하는 격벽(24)이 하부챔버바디(21)의 중앙에 형성된다. 또한, 격벽(24)의 상단에는 제3 방향전환롤러(25)가 장착되며, 제3 방향전환롤러(25)는 자체 구동력이 구비된다. 제3 방향전환롤러(25)는 상부챔버(10)와 가능한 틈이 작은 것이 바람직하다. 다만, 상부챔버(10)와 제3 방향전환롤러(25) 사이의 틈으로, 클리닝챔버(22)의 가스가 증착챔버(23)으로 압력차에 의해 이동될 수 있다.
클리닝챔버(22) 내부에는 제1히터(26)가 장착되고, 제1히터(26)의 하부에는 제1 텐션롤러(tension roller)(27)가 장착된다. 또한, 클리닝챔버(22)의 내부에는 쉴드(shield)(221)가 구비되어 외부로의 열의 전달을 차단할 수 있도록 한다. 클리닝챔버(22)는 공급되는 촉매금속필름(100)의 표면에 잔류하는 잔류물을 제거하기 위한 구성이다. 전처리를 위해 클리닝챔버(22)의 상부 유입구(211) 측으로 전처리 가스(Ar, H2, N2 등)가 유입되고, 하부측에는 내부의 가스를 배출구(212)를 통해 펌핑작용으로 배출시키면서 일정한 압력을 유지할 수 있도록 한다. 통상적으로 촉매금속필름(100)은 제조과정에서 표면에 산화막이나 유기막이 형성될 수 있고, 또한 잔류물로서 압연유나 방청제 등이 잔류할 수 있다. 촉매금속필름의 표면에 산화막이나 유기막이 존재하는 경우에는, 촉매금속필름을 가열하여 산화막이나 유기막을 제거하고, 증착공정 이전에 금속으로 이루어진 촉매금속필름의 결정화를 이루도록 하여 그래핀 증착 공정의 수율 및 그래핀의 품질 향상을 이룰 수 있도록 할 수 있다. 즉, 촉매금속필름의 전처리 과정에서 제1히터(26)에 의한 가열로 인해 촉매금속의 단결정화가 진행되고, 그에 따라 단결정화된 평편한 촉매금속의 표면에 그래핀이 증착될 수 있기 때문에 그래핀의 품질 향상 및 그래핀의 증착 수율을 높일 수 있다. 또한, 압연유나 방청제 등은 탄소유래 잔류물이기 때문에 탄화시키는 경우 탄소원자로 남게 되고, 탄소원자는 증착챔버(23)로 이동될 수 있어서, 공정가스와 함께 증착공정에 사용될 수도 있다. 클리닝챔버(22)의 탄화물들이 증착챔버(23)로 이동될 수 있지만 증착챔버(23)의 공정가스는 유입되지 않도록, 클리닝챔버(22)의 압력(P1)은 증착챔버(23)의 압력(P2)보다 높은 압력으로 유지된다. 또한 제1히터(26)와 제2히터(28)의 온도는 개별적으로 조절될 수 있다. 제1 텐션롤러(27)에는 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하기 위한 제1 텐션 감지 센서(271)이 형성되고, 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하여 측정신호를 컨트롤러(30)로 전송한다.
증착챔버(20)는, 제2히터(28)와 제2 텐션롤러(291)가 장착된다. 또한, 증착챔버(23)의 내부에는 쉴드(shield)(231)가 구비되어 외부로의 열의 전달을 차단할 수 있도록 한다. 제3 방향전환롤러(25)를 통해 증착챔버(20)로 이송된 촉매금속필름(100)은 제2 텐션롤러(291)를 거쳐 상부챔버(10)의 제2 방향전환롤러(152)를 통해서 권취롤러(151)로 이송되어 권취된다. 이러한 이송과정에서, 제2히터(28)의 하부에는 제2 텐션롤러(29)가 위치하고, 제2 텐션롤러(29)에 의해 하부방향에서 상부방향으로 제2히터(28)의 양측을 통해서 제2 방향전환롤러(152)로 이송되기 때문에, 촉매금속필름(100)의 양면에 그래핀이 증착될 수 있다. 증착챔버(23)의 챔버 내부로 공정가스(CH4 등)가 유입구(213)를 통해서 유입되고, 그래핀이 증착된 후 잔류가스는 배출구(214)로 펌핑되어 외부로 배출된다. 제2 텐션롤러(29)에는 제2 텐션 감지센서(291)이 장착되고, 제2 텐션롤러(29)를 통과하는 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하고, 측정신호를 컨트롤러(30)로 전송한다.
증착챔버(23)에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')는 제2 방향전환롤러(152)를 통해서 권취롤러(151)로 이송되어 권취된다.
도 2는 본 발명에 따른 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치의 제2실시예(1)에 대한 전체 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 동일하게, 그래핀 필름 제조장치(1)는 상부챔버(10)와, 하부챔버(20)로 이루어진다.
상부챔버(10)는, 상부챔버바디(11)와, 촉매금속필름(100)을 하부챔버(20)로 공급하기 위한 공급롤러부(14) 및 하부챔버(20)에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')을 권취하기 위한 권취롤러부(15)가 구비된다. 본 발명에서 촉매금속필름(100)은 롤형태를 이루는 필름(film), 포일(foil) 또는 시트(sheet)의 개념을 모두 포함한다.
상부챔버바디(11)에는 상부챔버바디(11)의 하부에 마련되는 촉매금속필름 배출홀(12)과 촉매금속필름 유입홀(13)이 구비된다.
공급롤러부(14)는, 촉매금속필름이 감겨있는 공급롤러(141)와, 공급롤러(141)에서 공급되는 촉매금속필름(100)의 방향을 하부로 전환하는 제1 방향전환롤러(142)와, 제1 방향전환롤러(142)의 하부에 장착되어 제1 방향전환롤러(142)에서 공급되는 촉매금속필름(100)을 하부로 일정한 속도로 공급하기 위한 마찰롤러부(143)와, 상부챔버(10)와 하부챔버(20) 간의 실링 및 촉매금속필름(100)을 하부챔버(20)의 클리닝챔버(22)로의 이송을 가이드하는 제1 실링 및 가이드롤러(144)로 이루어진다. 마찰롤러부(143)는 자체 구동력이 구비된 구동 마찰롤러(143a)와, 구동 마찰롤러(143a)와 맞물려 회전하는 종동 마찰롤러(143b)로 이루어진다. 구동 마찰롤러(143a)는 내부 또는 롤러와 모터 등이 연결되어 구동되며, 구동 마찰롤러(143a)의 표면에는 마찰력이 촉매금속필름(100)에 작용할 수 있도록 일정한 표면 마찰력을 가진 재질이 사용될 수 있다. 구동 마찰롤러(143a)의 구동력으로 촉매금속필름(100)이 하부로 이송되고, 구동 마찰롤러(143a)와 촉매금속필름(100)이 접착될 수 있도록 종동 마찰롤러(143b)가 측면에 구비되어, 촉매금속필름(100)의 하부 이송을 보조한다. 마찰롤러부(143)를 통과한 촉매금속필름(100)은 제1 실링 및 가이드롤러(144)를 거쳐 클리닝챔버(22)로 이송된다. 제1 실링 및 가이드롤러(144)는 촉매금속필름(100)의 두께정도의 틈이 롤러 사이에 형성되어, 촉매금속필름(100)이 통과하게 되면 하부챔버(20) 내의 가스가 상부챔버(10)로 유입되지 않도록 실링 역할을 한다.
권취롤러부(15)는, 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')이 권취되는 자체 구동력이 구비된 권취롤러(151)와 권취롤러(151)로 방향을 전환시켜주면서 이송되는 장력을 유지할 수 있도록 하는 제2 방향전환롤러(152)와, 증착챔버(23)으로부터 그래핀이 증착되어 이송되는 촉매금속필름(100')의 가이드 및 상부챔버(10)와 하부챔버(20) 간의 실링을 위한 제2 실링 및 가이드롤러(153)로 이루어진다. 제2 실링 및 가이드롤러(153)는 제1 실링 및 가이드롤러(153)와 동일한 역할을 수행하며, 상부챔버(10)와 하부챔버(20) 간의 실링 역할을 수행한다.
하부챔버(20)는, 하부챔버바디(21)와, 클리닝챔버(22)와, 증착챔버(23)로 이루어진다. 하부챔버(20)에 두 개의 챔버를 형성하기 위해, 클리닝챔버(22)와 증착챔버(23)를 구획하는 격벽(24)이 하부챔버바디(21)의 중앙에 형성된다. 또한, 격벽(24)의 상단에는 제3 방향전환롤러(25)가 장착되며, 제3 방향전환롤러(25)는 자체 구동력이 구비된다. 제3 방향전환롤러(25)는 상부챔버(10)와 가능한 틈이 작은 것이 바람직하다. 다만, 상부챔버(10)와 제3 방향전환롤러(25) 사이의 틈으로, 클리닝챔버(22)의 가스가 증착챔버(23)으로 압력차에 의해 이동될 수 있다.
클리닝챔버(22) 내부에는 제1히터(26)가 장착되고, 제1히터(26)의 하부에는 제1 텐션롤러(27)가 장착된다. 또한, 클리닝챔버(22)의 내부에는 쉴드(shield)(221)가 구비되어 외부로의 열의 전달을 차단할 수 있도록 한다. 클리닝챔버(22)는 공급되는 촉매금속필름(100)의 표면에 잔류하는 잔류물을 제거하기 위한 구성이다. 전처리를 위해 클리닝챔버(22)의 상부 유입구(211) 측으로 전처리 가스(Ar, H2, N2 등)가 유입되고, 하부측에는 내부의 가스를 배출구(212)를 통해 펌핑작용으로 배출시키면서 일정한 압력을 유지할 수 있도록 한다. 통상적으로 촉매금속필름(100)은 제조과정에서 표면에 산화막이나 유기막이 형성될 수 있고, 또한 잔류물로서 압연유나 방청제 등이 잔류할 수 있다. 촉매금속필름의 표면에 산화막이나 유기막이 존재하는 경우에는, 촉매금속필름을 가열하여 산화막이나 유기막을 제거하고, 증착공정 이전에 금속으로 이루어진 촉매금속필름의 결정화를 이루도록 하여 그래핀 증착 공정의 수율 및 그래핀의 품질 향상을 이룰 수 있도록 할 수 있다. 즉, 촉매금속필름의 전처리 과정에서 제1히터(26)에 의한 가열로 인해 촉매금속의 단결정화가 진행되고, 그에 따라 단결정화된 평편한 촉매금속의 표면에 그래핀이 증착될 수 있기 때문에 그래핀의 품질 향상 및 그래핀의 증착 수율을 높일 수 있다. 또한, 압연유나 방청제 등은 탄소유래 잔류물이기 때문에 탄화시키는 경우 탄소원자로 남게 되고, 탄소원자는 증착챔버(23)로 이동될 수 있어서, 공정가스와 함께 증착공정에 사용될 수도 있다. 클리닝챔버(22)의 탄화물들이 증착챔버(23)로 이동될 수 있지만 증착챔버(23)의 공정가스는 유입되지 않도록, 클리닝챔버(22)의 압력(P1)은 증착챔버(23)의 압력(P2)보다 높은 압력으로 유지된다. 또한 제1히터(26)와 제2히터(28)의 온도는 개별적으로 조절될 수 있다. 제1 텐션롤러(27)에는 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하기 위한 제1 텐션 감지 센서(271)이 형성되고, 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하여 측정신호를 컨트롤러(30)로 전송한다.
증착챔버(20)는, 제2히터(28)와 제2 텐션롤러(291)가 장착된다. 또한, 증착챔버(23)의 내부에는 쉴드(shield)(231)가 구비되어 외부로의 열의 전달을 차단할 수 있도록 한다. 제3 방향전환롤러(25)를 통해 증착챔버(20)로 이송된 촉매금속필름(100)은 제2 텐션롤러(291)를 거쳐 상부챔버(10)의 제2 방향전환롤러(152)를 통해서 권취롤러(151)로 이송되어 권취된다. 이러한 이송과정에서, 제2히터(28)의 하부에는 제2 텐션롤러(29)가 위치하고, 제2 텐션롤러(29)에 의해 하부방향에서 상부방향으로 제2히터(28)의 양측을 통해서 제2 방향전환롤러(152)로 이송되기 때문에, 촉매금속필름(100)의 양면에 그래핀이 증착될 수 있다. 증착챔버(23)의 챔버 내부로 공정가스(CH4 등)가 유입구(213)를 통해서 유입되고, 그래핀이 증착된 후 잔류가스는 배출구(214)로 펌핑되어 외부로 배출된다. 제2 텐션롤러(29)에는 제2 텐션 감지센서(291)이 장착되고, 제2 텐션롤러(29)를 통과하는 촉매금속필름(100)의 장력을 측정하고, 측정신호를 컨트롤러(30)로 전송한다.
증착챔버(23)에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')는 제2 실링 및 가이드롤러(153)를 거쳐 제2 방향전환롤러(152)를 통해서 권취롤러(151)로 이송되어 권취된다.
도 3과 도 4는 컨트롤러(30)에 의해 장력을 조절하는 단계를 도시한 순서도이다.
도 3은 컨트롤러(30)에 의한 제1 텐션롤러(27)와 제3 방향전환롤러(25)의 장력 조절과정에 대한 순서도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 먼저 컨트롤러(30)는 제1 텐션롤러(27)의 제1 텐션 감지센서(271)로부터 측정된 장력 측정신호를 전송받는다. 장력 데이터의 전송신호를 전송받은 컨트롤러(30)는, 촉매금속필름(100)의 장력이 일정범위 내에 있는지를 파악한다(S11). 측정된 장력이 일정범위 내에 있는 경우, 현재의 제3 방향 전환롤러(25)의 속도는 유지된다(S21). 만일 측정된 장력이 일정범위 내에 있지 않은 경우에 컨트롤러(30)는 요구되는 일정범위의 장력보다 큰 지 여부를 판단한다(S31). 만일 일정범위의 장력보다 큰 경우에는 제3 방향 전환 롤러(25)의 속도를 감속하고(S41), 일정범위의 장력보다 작은 경우에는 제3 방향 전환롤러(25)의 속도를 가속한다(S51). 이러한 과정이 반복되어 촉매금속필름(100)에 일정한 장력이 작용할 수 있도록 하여 촉매금속필름(100)의 손상을 방지한다.
도 4는 컨트롤러(30)에 의한 제2 텐션롤러(29)와 권취롤러(151)의 장력 조절과정에 대한 순서도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 먼저 컨트롤러(30)는 제2 텐션롤러(29)의 제2 텐션 감지센서(291)로부터 측정된 장력 측정신호를 전송받는다. 장력 데이터의 전송신호를 전송받은 컨트롤러(30)는, 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')의 장력이 일정범위 내에 있는지를 파악한다(S12). 측정된 장력이 일정범위 내에 있는 경우, 현재의 권취롤러(151)의 속도는 유지된다(S22). 만일 측정된 장력이 일정범위 내에 있지 않은 경우에 컨트롤러(30)는 요구되는 일정범위의 장력보다 큰지 여부를 판단한다(S32). 만일 일정범위의 장력보다 큰 경우에는 권취롤러(151)의 속도를 감속하고(S42), 일정범위의 장력보다 작은 경우에는 권취롤러(151)의 속도를 가속한다(S52). 이러한 과정이 반복되어 촉매금속필름(100')에 일정한 장력이 작용할 수 있도록 하여 그래핀이 증착된 촉매금속필름(100')의 손상을 방지한다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1 : 그래핀 필름 제조장치
10 : 상부챔버 11 : 상부챔버바디
12 : 배출홀 13 : 유입홀
14 : 공급롤러부 15 : 권취롤러부
20 : 하부챔버 21 : 하부챔버바디
22 : 클리닝챔버 23 : 증착챔버
24 : 격벽 25 : 제3 방향전환롤러
26 : 제1히터 27 : 제1 텐션롤러
28 : 제2히터 29 : 제2 텐션롤러

Claims (10)

  1. 촉매금속필름을 하부챔버로 공급하기 위한 공급롤러부 및 하부챔버에서 그래핀이 증착된 촉매금속필름을 권취하기 위한 권취롤러부가 구비되는 상부챔버와, 상기 상부챔버의 하부에 연결되어 상기 촉매금속필름의 클리닝 및 그래핀의 증착이 이루어지는 하부챔버로 이루어져, 롤-투-롤(roll to roll) 방식으로 촉매금속필름에 그래핀을 증착하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치에 있어서,
    상기 하부챔버는,
    상기 공급롤러에서 하부로 이송되는 촉매금속필름의 표면에 잔존하는 불순물을 제거하기 위한 제1히터가 구비되는 클리닝챔버와,
    상기 클리닝챔버에서 클리닝되어 이송된 상기 촉매금속필름의 표면에 그래핀을 증착하기 위한 제2히터가 구비되는 증착챔버와,
    상기 하부챔버를 구획하여 상기 클리닝챔버와 상기 증착챔버를 트윈챔버 형태로 형성하는 중간 격벽과,
    상기 중간 격벽의 상단에 마련되어 상기 클리닝챔버와 상기 증착챔버를 구획하면서 상기 촉매금속필름을 상기 증착챔버로 이송시키기 위한 구동력이 제공되는 제3 방향전환롤러가,
    포함되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급롤러부는,
    상기 상부챔버 내측에 장착되어 촉매금속필름을 공급하는 공급롤러;
    상기 공급롤러부의 일측에 장착되어 상기 공급롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 하부로 방향을 전환하는 제1 방향전환롤러;
    상기 제1 방향전환롤러의 하부에 장착되어 상기 제1 방향전환롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 하부로 일정한 속도로 공급하기 위한 구동 마찰롤러와, 상기 구동 마찰롤러와 맞물려 회전하는 종동 마찰롤러로 이루어지는 마찰롤러부; 및
    상기 마찰롤러에서 일정한 속도로 공급되는 상기 촉매금속필름을 가이드함과 아울러 상기 상부챔버와 상기 클리닝챔버 간의 실링을 위한 한 쌍의 제1 실링 및 가이드롤러;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 권취롤러부는,
    상기 증착챔버에서 상기 상부챔버로 이송되는 상기 촉매금속필름을 가이드함과 아울러 상기 증착챔버와 상기 상부챔버간의 실링을 위한 한 쌍의 제2 실링 및 가이드롤러;
    상기 제2 실링 및 가이드롤러에서 공급되는 촉매금속필름의 방향을 전환하여 상기 권취롤러로 공급하는 제2 방향전환롤러; 및
    상기 제2 방향전환롤러에서 공급되는 촉매금속필름을 권취하는 권취롤러;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 클리닝챔버에는,
    상기 클리닝챔버의 내부에 장착되는 제1히터와,
    상기 제1히터의 하부에 장착되어 상기 촉매금속필름의 방향을 전환함과 아울러 상기 촉매금속필름에 일정한 텐션을 주는 제1 텐션롤러가 구비되고,
    상기 제1 실링 및 가이드롤러로부터 공급되는 상기 촉매금속필름은 상기 제1 텐션롤러를 거쳐서 상기 제3 방향전환롤러로 공급되면서, 상기 제1히터의 양면과 근접이동됨으로써 두번 히팅되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증착챔버에는,
    상기 증착챔버의 내부에 장착되는 제2히터와,
    상기 제2히터의 하부에 장착되어 상기 촉매금속필름의 방향을 전환함과 아울러 상기 촉매금속필름에 일정한 텐션을 주는 제2 텐션롤러가 구비되고,
    상기 제3 방향전환롤러로부터 공급되는 상기 촉매금속필름은 상기 제2 텐션롤러를 거쳐서 상기 제2 실링 및 가이드롤러로 공급되면서 상부방향에서 하부방향으로 상기 제2히터의 양면과 근접이동됨으로써, 상부방향 및 하부방향으로 이동되는 과정에서 그래핀이 증착되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 클리닝챔버의 내부압력(P1)이 상기 증착챔버의 내부압력(P2)보다 더 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 클리닝챔버의 내부로는 전처리 가스가 유입되고, 상기 증착챔버의 내부로는 공정가스가 유입되되, 상기 챔버간의 압력차이로 인해 상기 공정가스는 상기 클리닝챔버의 내부로 유입되지 않고, 상기 전처리 가스는 상기 증착챔버 내부로 유입될 수 었는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제1 텐션롤러에는, 상기 제1 텐션롤러를 통과하는 상기 촉매금속필름의 장력을 측정하기 위한 제1 텐션 감지센서가 더 장착되고,
    상기 제1 텐션 감지센서의 감지신호에 따라 상기 제3 방향전환롤러의 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제2 텐션롤러에는, 상기 제2 텐션롤러를 통과하는 상기 촉매금속필름의 장력을 측정하기 위한 제2 텐션 감지센서가 더 장착되고,
    상기 제2 텐션 감지센서의 감지신호에 따라 상기 권취롤러의 속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 트윈챔버형 롤투롤 그래핀 필름 제조장치.
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